개념 한 쪽
동기발전기는 극수와 회전수로 주파수가 정해지는 교류 발전기이다. 세 값의 관계는 f = PN/120이며, 병렬 운전에서는 회전수가 아니라 주파수를 맞춘다. 제동권선은 난조를 막고, 전기자 반작용과 안정도는 역률과 임피던스로 판단한다.
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출제기준 단원 「동기발전기의 원리 및 구조」의 공개 문제 3개를 묻는 꼴별로 나누면 이렇습니다.
| 묻는 꼴 | 문제 수 | 무엇을 묻나 |
|---|---|---|
| 수치 계산형(극수·회전수·%Z) | 3 | 극수·회전수·퍼센트 Z 등 주요 수치 계산 |
2016년 CBT 전환 이전 시험에도 나왔습니다(2008년 5회 · 2010년 2회 · 2011년 1회). 가장 자주 묻는 것은 수치 계산형(극수·회전수·%Z)입니다.
동기발전기의 주파수는 극수 P와 회전수 N[rpm]으로 정해진다. f = PN/120이고, 이를 바꾸면 N = 120f/P, P = 120f/N이 된다. 60Hz에서 1200rpm으로 도는 발전기의 극수는 P = 120 × 60 / 1200 = 6이다. 극수가 많을수록 같은 주파수를 만들기 위해 더 느리게 돌아도 된다.
병렬 운전에서는 두 발전기의 주파수를 맞춘다. 6극 1200rpm 발전기의 주파수는 6 × 1200 / 120 = 60Hz이므로, 여기에 병렬 운전하는 8극 발전기는 N = 120 × 60 / 8 = 900rpm으로 돌아야 한다. 반대로 8극 900rpm 발전기의 주파수는 8 × 900 / 120 = 60Hz이고, 6극 발전기는 1200rpm이 된다. 극수가 달라도 맞추는 값은 회전수가 아니라 주파수이다.
제동권선은 회전자의 극 표면에 막대와 단락링을 넣은 구조로, 농형유도전동기의 회전자 도체와 비슷하다. 부하 변동으로 동기속도를 앞뒤로 흔들며 도는 난조(헌팅)가 생기면 제동권선에 유도전류가 흘러 흔들림을 억제한다. 제동권선의 주목적은 난조 방지와 감쇠이며 기동 보조 역할도 한다.
전기자 반작용은 부하 전류가 만든 자기장이 계자 자속에 영향을 주는 현상이다. 역률이 뒤진 지상 전류에서는 감자 작용, 진상 전류에서는 증자 작용이 일어나고, 역률이 1이면 교차 자화 작용이 된다. 부하의 역률을 보면 전기자 반작용의 종류를 판단할 수 있다.
안정도는 부하 변동에도 동기 상태를 유지하는 능력이다. 동기임피던스가 작을수록 안정도가 높고, 단락비가 클수록 안정도가 높다. 따라서 동기임피던스를 크게 하는 것은 안정도 향상 대책이 아니라 오히려 안정도를 나쁘게 하는 방향이다.
단절권은 코일 간격을 극 간격보다 짧게 감는 방식이다. 고조파가 상쇄되어 기전력 파형이 좋아지고 코일이 짧아 재료가 절약되지만, 전절권보다 합성 유기기전력은 감소한다. 단락비와 퍼센트 동기임피던스는 역수 관계로, 단락비 1.2이면 %Z = 100/1.2 ≈ 83%이다. 병렬 운전 중 원동기 출력이 변해 기전력의 위상이 어긋나면 두 발전기 사이에 전위차가 생겨 동기화 전류가 흐른다.
극수·회전수 문제는 f = PN/120에 값을 넣고 미지수를 남긴다. 60Hz와 1200rpm이면 P = 120 × 60 / 1200 = 6이다. 병렬 운전 문제는 먼저 기준 발전기의 주파수를 구한 뒤 같은 주파수가 되는 회전수를 계산한다.
「안정도 향상 대책이 아닌 것」을 묻는 문제는 방향을 뒤집어 본다. 동기임피던스를 작게 하는 것과 단락비를 크게 하는 것은 안정도를 높이지만, 동기임피던스를 크게 하는 것은 반대이므로 향상 대책이 아니다. 제동권선의 목적을 물으면 기동이 아니라 난조 방지가 주목적임을 확인한다.
2008년 5회60㎐, 2000kVA의 발전기의 회전수가 1200rpm이라면 이 발전기의 극수는 얼마인가?
정답 ① · 동기속도 에서 극수 극이다. 60Hz 전원에서 회전수가 1200rpm이면 극수는 6극, 1800rpm이면 4극, 3600rpm이면 2극이 되는 것을 기억해두면 빠르게 검산할 수 있다.
극수는 주파수(60Hz)와 회전수(1200rpm)로 정해지는데, 60Hz에서 1200rpm으로 도는 발전기는 6극이다.
2011년 1회6극 1200[rpm]의 교류 발전기와 병렬 운전하는 극수 8의 동기 발전기의 회전수[rpm]는?
정답 ③ · 동기발전기(교류발전기)의 주파수는 로 계산한다. 6극, 1200rpm인 발전기의 주파수는 이다.
병렬 운전하는 발전기는 주파수가 같아야 하므로, 6극 1200rpm의 주파수(60Hz)에 8극 발전기를 맞추면 900rpm이 된다.
2010년 2회8극 900rpm의 교류 발전기로 병렬 운전하는 극수 6의 동기발전기의 회전수는?
정답 ③ · 먼저 8극 900rpm 발전기의 주파수를 구하면 이다. 병렬운전 시 주파수가 같아야 하므로, 6극 동기발전기의 회전수는 이다.
병렬 운전 조건은 주파수 일치: f=PN/120=60Hz, N=120f/P=1200rpm.
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